CN109597179B - 光学元件内部嵌入式微流体散热通道 - Google Patents

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Abstract

一种光学元件内部嵌入式微流体散热通道，采用飞秒激光加工技术在所述的光学元件内部制备出连通的微流体散热通道，该微流体散热通道具有液体注入口和输出口。本发明对光学元件的温度控制具有体积小、散热面积大、消耗功率低等优点；另外可以使微流体散热通道置于光学元件近表面进一步提升元件表面温控能力；特别适用于高功率激光辐照中热量控制，提升光学元件抗热畸变、热损伤能力。

Description

光学元件内部嵌入式微流体散热通道
技术领域
本发明涉及光学元件散热，特别是一种光学元件内部嵌入式微流体散热通道。
背景技术
随着高能激光技术在军事、民用等领域应用越来越广泛，高功率、小型化、高光束质量的激光光束输出对光学元器件抗热畸变、热损伤能力提出了越来越高的要求。光学元件在强激光作用下的热吸收变形是难以避免的客观现实，而且随着激光功率的增加将日趋严重，最终成为强激光输出功率和光束质量的制约条件。针对激光腔镜，目前减少热变形的技术途径主要有两种:一种方法是增强腔镜散热能力，另一种方法是提高激光腔镜的反射率。但由于镀膜工艺和薄膜材料的限制，镜面反射率很难满足实际需要。而在一定镜面反射率下，提升镜体散热能力是不得已而为之、且行之有效的一种减少热变形方法。
在散热能力控制领域，强激光辐照下光学元件散热方法可借鉴电子元器件散热领域的研究方法。随着电子元器件功率的增加和微型化的提高，传统的风冷散热越来越难以满足电子器件散热的需求，采用液冷散热的微流体通道散热技术逐渐走进人们的视野，吸引了越来越多人的注意。1981年，Tuckerman和Pease首次提出了微流道散热器理论[文献1，D.B.Tuckerman,R.F.W.Pease,“High-performance heat sinking for VLSI”,IEEEElectron Device Letters,5(1981)]，用来解决电子器件的散热问题，该微流道散热器采用MEMS微加工技术在硅片上刻蚀微流道，然后在硅片上加个盖板。随后，微流道散热器吸引了国内外很多学者。
通常将水力学直径在1μm～1000μm之间的通道或管道定义为微通道。根据RA.Riddle等人的研究：流量一定时，矩形通道中流体总的热传导系数与通道水力学直径成反比[文献2，R.A.Riddle,R.J.Contolini,A.F.Bernhard,“Design calculations for themicrochannel heatsink”,National Electronic Products Conference,Anaheim CA:LLNL,(1991).]。因此，随着通道直径的减小，换热系数增加。由于系统的散热面积与体积比的显著增加，减小体积的同时散热系数得到极大提高。因此采用微流体通道散热方法实现温度控制具有体积小、散热面积大、消耗功率低等优点，受到普遍关注。
综上所述，高能激光辐照下光学元器件的热畸变、热损伤问题严重制约激光技术向高功率、小型化方向发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学元件内部嵌入式微流体散热通道，该微流体通道实现温度调控具有体积小、散热面积大、消耗功率低等优点，使微流体散热通道置于光学元件近表面进一步提升元件表面温控能力；特别适用于高功率激光辐照中热量控制，提升光学元件抗热畸变、热损伤能力。将成为高能激光辐照下加速元件散热、提升抗激光损伤能力的有效手段。
本发明的技术解决方案如下：
一种光学元件内部嵌入式微流体散热通道，其特点在于：采用飞秒激光加工技术在所述的光学元件内部制备出连通的微流体散热通道，该微流体散热通道具有液体注入口和输出口。
所述的光学元件为光学玻璃、单晶硅、锗片准备的光学元件或镀制有光学薄膜的光学元件。
所述的微流体散热通道的直径范围为1μm～1000μm。
所述的液体是散热油或水。
本发明采用冷水机组等设备将所述的低温的液体通过注入口输入微流体散热通道，在微流体散热通道，所述的低温的液体吸收热量后从输出口流出回流到冷水机组，流出后的液体经冷水机组等设备释放热量，新的低温循环液重新注入元器件内部继续吸收热量。回流的循环液在冷水机组中释放掉热量，低温的循环液重新流入管道，由此达到散热功能。
微流体通道的散热能力强，这是由于当通道直径减小时散热系数将得到大幅度增强。根据R A.Riddle等人的研究结果，流量一定时，矩形通道中流体总的热传导系数与通道水力学直径成反比。因此，随着通道直径的减小，换热系数增加。
为了在光学元件内部嵌入微流体通道，主要采用飞秒激光微加工技术。选择光学材料具有高透过率的特定激光波长实现元件内部微加工。飞秒激光加工通过多光子吸收将其能量(最大峰值功率可达1012W甚至1015W量级)准确注入到很小的作用区域，瞬间内产生高能量密度的沉积，从而实现微纳尺度加工。由于飞秒激光作用时间极短，远小于电子和声子、声子和声子相互作用时间，因此热效应影响极小，加工质量高。
本发明与在先散热技术相比较具有以下技术效果：
(1)本发明采用飞秒激光加工技术直接在光学元器件近表面加工散热通道，将微流体散热通道置于近表面，从而进一步提升元器件表面散热能力，且微流体通道的可编程、可定制特点可针对热量集中区域有针对性散热，控制热量分布。
(2)采用该微流体通道散热技术实现温度控制具有体积小、散热面积大、消耗功率低等优点，温控效率高，将是解决高能激光系统研制过程中散热技术瓶颈的有效手段。
附图说明
图1是本发明光学元件内部嵌入式微流体散热通道装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，由图可见，本发明光学元件内部嵌入式微流体散热通道，采用飞秒激光加工技术在所述的光学元件1内部加工制备出连通的微流体散热通道3，该微流体散热通道3具有液体注入口2和输出口4。
所述的光学元件1为光学玻璃、单晶硅、锗片准备的光学元件或镀制有光学薄膜的光学元件。
所述的微流体散热通道3的直径范围为1μm～1000μm。
所述的液体是散热油或水。
本发明的目的是使液体从注入口2流入，经过微流体通道3后从输出口4流出，由此带走或输入元器件表面和内部的热量，达到控制元器件温度的目的。
光学元件内部嵌入式微流体散热通道制备及温控步骤如下：
步骤1)在光学元件侧面或者背面加工制备液体注入口2和输出口4；
步骤2)采用飞秒激光加工技术在光学元件1内部制备微流体散热通道3；
步骤3)采用冷水机组等设备将液体通过注入口2输入微流体散热通道，输出口4流出的液体输入到冷水机组，流出的液体经过冷水机组等设备将液体控制在某一温度，由此实现光学元件表面及内部温度控制。
实验表明，本发明对光学元件的温度控制具有体积小、散热面积大、消耗功率低等优点；另外可以使微流体散热通道置于光学元件近表面进一步提升元件表面温控能力；特别适用于高功率激光辐照中热量控制，提升光学元件抗热畸变、热损伤能力。

Claims (4)

1.一种光学元件内部嵌入式微流体散热通道，其特征在于：采用飞秒激光加工技术在所述的光学元件(1)内部加工制备出连通的微流体散热通道(3)，该微流体散热通道(3)具有液体注入口(2)和输出口(4)。
2.根据权利要求1所述的光学元件内部嵌入式微流体散热通道，其特征在于：所述的光学元件(1)为光学玻璃、单晶硅、锗片准备的光学元件或镀制有光学薄膜的光学元件。
3.根据权利要求1所述的光学元件内部嵌入式微流体散热通道，其特征在于：所述的微流体散热通道(3)的直径范围为1μm～1000μm。
4.根据权利要求1至3任一项所述的光学元件内部嵌入式微流体散热通道，其特征在于：所述的液体是散热油或水。
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